5G关键技术之毫米波

 

第五代移动通信系统 （5th generation mobile networks，简称5G）目前已开始逐步开始商用，各重点地市部分地区5G基站已逐步试点商用，华为，高通均推出自己的5G芯片，中兴也宣称下半年会推出自己的7nm工艺5G芯片，各大厂家的5G终端和CPE已投入市场，不同于2G/3G/4G，5G时代为了快速推进部署，行业定义了两种组网方式。其中，NSA是一种过渡方案，依托4G基站和核心网工作，而SA的核心网是一个全新网络架构，能充分发挥5G的能力，但是投资更大，网络建设需要时间更久。中国移动董事长杨杰在GTI创新峰会上提及5G发展时指出，“明年1月1日开始，5G终端必须具备SA（独立组网）模式。”

5G网络速度能达到多少？

根据Verizon的测试模型，5G的下载速度方面能够达到1.3Gbps以上；实际使用中，一个3GB左右大小的视频文件，5G网络下仅需要33秒就完成，每秒的速率达到726Mbps，而4G的LTE Cat.12网络下载速率仅62.2Mbps，花掉了6分钟25秒的时间；

在高通的实测中，与LTE终端相比，浏览下载的速度由4G用户的均值56Mbps提升到了5G用户的均值超过490Mbps，达到了将近900%的增益，相应速度提速了近7倍；浏览下载的延迟均值由116毫秒下降至17毫秒，下载速度也得到了大幅提升，超过90%的用户在5G网络中能够达到100Mbps的下载速度，相比在LTE的连接中，下载速度为8Mbps；[1]

5G如何实现如此高的传输速率呢？

任何对通信数据传输速率的提升都绕不开香农信道容量公式：

我们在5G也会采用同样的方式来提高数据传输速率: 提升频带宽度和提升信噪比。具体措施就是：

1. 采用毫米波(提升频带宽度)

2. 更先进的波束赋形(提升信噪比)

3. 超大规模天线，全双工无线(提升频带宽度和信噪比，空域)。

相对于提高信噪比，增加频谱带宽的方法显得更简单直接。在频谱利用率不变的情况下，可用带宽翻倍则可以实现的数据传输速率也翻倍。但问题是，现在常用的6GHz以下的频段已经非常拥挤，到哪里去找新的频谱资源呢？各大厂商不约而同想到的方法就是使用毫米波技术。

毫米波是什么？有何优点？

毫米波（mmWave）通常意义上指EHF频段，即频率范围是30GHz——300GHz的电磁波。因为30GHz电磁波的波长是10毫米，300GHz电磁波的波长是1毫米。24.25GHz电磁波的波长是12.37毫米，可以叫它毫米波，也可以叫它厘米波。但是实际上，毫米波只是个约定俗成的名称，即一个工程概念，并非一个学术定义，没有哪个组织对其有过严格的定义。有人认为，频率范围在20GHz（波长15毫米）——300GHz之间的电磁波都可以算毫米波。

先看看无线电信号的频谱如何划分：

 

5G NR

3GPP已指定5G NR 支持的频段列表，5G NR频谱范围可达100GHz，指定了两大频率范围：

 

5G NR
频率范围名称	对应的频率范围
FR1	450MHz-6GHz
FR2	24.25GHz-52.6GHz

 

Frequency range 1 （FR1）：就是我们通常讲的6GHz以下频段

l 频率范围：450MHz - 6.0GHz

l 最大信道带宽100MHz

Frequency range 2 （FR2）：就是毫米波频段

l 频率范围：24.25GHz - 52.6GHz

l 最大信道带宽400MHz

根据通信原理，无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右，因此载波频率越高，可实现的信号带宽也越大。在毫米波频段中，28GHz频段的可用频谱带宽可达1GHz，而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则到了2GHz（整个9GHz的可用频谱分成了四个信道）。相比而言，4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下，而可用频谱带宽只有100MHz。因此，如果使用毫米波频段，频谱带宽轻轻松松就翻了10倍，传输速率也可得到巨大提升。

毫米波传输为什么要建微基站？

毫米波的“限制”：

毫米波中有些频率的“地段”特别差。这里，影响“地段”的因素是空气，所以确切地说应该是这些频率的“天段”特别差。无线电波在传播时，大气会选择性地吸收某些频率（波长）的电磁波，造成这些电磁波的传播损耗特别严重。吸收电磁波的主要是两种大气成分：氧气和水蒸气。水蒸气引起的共振会吸收22GHz和183 GHz附近的电磁波，而氧气的共振吸收影响的是60GHz和120 GHz附近的电磁波。所以我们可以看到，不管哪个组织分配毫米波资源，都会避开这4个频率附近的频段。

毫米波在空气、雨水环境随频率的衰减曲线

毫米波的传播距离有限，物理定律告诉我们，在发射功率不变的情况下，波长越短，传播距离越短。在很多场景下，这个限制会导致毫米波的传播距离超不过10米。根据理想化的自由空间传播损耗公式，传播损耗L=92.4+20log(f)+20log(R)，其中f是单位为GHz的频率，R是单位为公里的距离，而L的单位是dB。一个70GHz的毫米波传播10米远之后，损耗就达到了89.3dB。而在非理想的传播条件下，传播损耗还要大得多。毫米波系统的开发者必须通过提高发射功率、提高天线增益、提高接收灵敏度等方法来补偿这么大的传播损耗。

毫米波在空气中衰减大，绕射能力弱，那就是不容易穿过建筑物或者障碍物，并且可以被叶子和雨水吸收。这也是为什么5G网络将会采用微基站的方式来加强传统的基站。

毫米波微基站示意图

毫米波技术的双刃剑

任何事物都有两面性。传播距离过小有时候反而成了毫米波系统的优势。比如，它能够减少毫米波信号之间的干扰。毫米波系统使用的高增益天线同时具有较好的方向性，这也进一步消除了干扰。这样的窄波束天线既提高了功率，又扩大了覆盖范围，同时增强了安全性，降低了信号被截听的概率。

另外，“高频率”这个限制因素会减少天线的尺寸，这又是一个意外的惊喜。假设我们使用的天线尺寸相对无线波长是固定的，比如1/2波长或者1/4波长，那么载波频率提高意味着天线变得越来越小。比如说，一个900M GSM天线的长度是几十厘米左右，而毫米波天线可能只有几毫米。这就是说，在同样的空间里，我们可以塞入越来越多的高频段天线。基于这个事实，我们就可以通过增加天线数量来补偿高频路径损耗，而又不会增加天线阵列的尺寸。这让在5G毫米波系统中使用massive MIMO技术成为可能。

毫米波收发机芯片如何实现

 

 

NICT研发的毫米波收发机架构图

商用的毫米波收发机芯片会使用CMOS工艺（CMOS=complementary metal-oxide-semiconductor，指用半导体-氧化层-金属堆叠形成半导体器件的工艺，是最常用的集成电路制造工艺），这一方面为了能够和数字模块集成，另一方面为了节省成本。

毫米波收发机芯片的结构和传统频段收发机很相似，但是毫米波收发机有着独特的设计挑战。

其一是如何控制功耗。毫米波收发机要求CMOS器件能工作在毫米波频段，所以要求CMOS器件对信号的灵敏度很高。我们可以参照日常生活中的水龙头来说明这个问题。大家一定都经常有开关水龙头的经验，很多水龙头在关着时，需要拧很多下才会出来一点点水，然后随着水流越来越大，只要多拧一点点水流就会变大很多。在这里，手拧龙头的动作就是激励信号，而对应的水流变化就是输出响应。CMOS器件本质上和水龙头很像，都是通过控制端（即CMOS的栅极）调整输出流量（对水龙头是水流，对CMOS则是输出电流）。因此，如果需要CMOS器件对微弱的毫米波信号能快速响应，必须把它的直流电流调到很大（相当于把水龙头设置在水流很大的状态）。这样一来，CMOS电路就需要很大的功耗才能处理毫米波信号。[2]

高通毫米波射频前端和天线架构

另一个是高频电路设计。在如此高的射频频段，电路和天线设计的精密程度，集成性都有较大的挑战，电路板无法采用普通的FR4板材设计和加工，而是需要采用FR4+Rogers高端板材压合板进行设计，表层采用Rogers板，以实现微带电路，微带天线的精准一致性，尽量保证天线仿真和实物的一致性，其它层板材采用FR4板材，主要走线为低速线和电源等。在天线设计方面，由于外接天线需要经过同轴线转接，在毫米波的高频状态下一次转接会带来很大的射频损耗和阻抗失配，所以采用微带天线方案，芯片口直接微带线或平面波导馈电到天线阵列，天线阵列采用串馈或并联架构，由于在毫米波波段，50欧姆阻抗线宽度与单贴片阵子的半波长长度差异不大，按照普通的天线设计无法实现，所以采用四分之一阻抗变换器，将50欧姆阻抗微带线转换成100欧姆或更高的高阻抗线，从而宽度降低，在天线阵列上采用渐变式不同尺寸辐射贴片微带天线组合，以实现波束的集聚性，使天线阵列整体增益增加，同时尽量保证主瓣的FOV角度覆盖，在天线加工同样在打样、测试优化过程中经过多次反复验证和调试；这就使得毫米波芯片和天线的设计流程困难重重，需要大量的人力物力投入。

近年毫米波芯片和天线技术有了迅猛的发展，高通公司的QTM052 mmWave天线模块和QPM56xx sub-6 GHz射频模块已经在去年推出，配合高通的Snapdragon X50 5G调制解调器使用，帮助处理不同的无线电频率。mmWave天线可用于26.5-29.5 GHz、27.5-28.35 GHz或37-40 GHz波段，其小体积、高集成化等特性会使其在5G终端上广泛应用。

高通QTM052 mmWave天线模块、Snapdragon X50 5G调制解调器

为了在密集的城市地区和拥挤的室内环境中提供高网络吞吐量，QTM052支持高达800MHz的带宽，使用先进的波束形成、波束转向和波束跟踪技术来改进mmWave信号。该模块包括5G无线电收发器、电源管理IC、RF前端和相控天线阵，与Snapdragon X50调制解调器配合形成完整的系统。

2月19日，高通官网信息Qualcomm宣布推出第二代5G NR调制解调器——骁龙X55 5G调制解调器。骁龙X55是一款7纳米单芯片，支持5G到2G多模，还支持5G NR毫米波和6 GHz以下频谱频段。其中，全新的射频前端解决方案包括QTM525 5G毫米波天线模组，可支持厚度不到8毫米的纤薄5G智能手机设计。

Qualcomm QTM525 5G毫米波天线模组

专为骁龙X55准备的QTM525 5G毫米波天线模组，是基于Qualcomm Technologies首款毫米波天线模组的创新成果而打造，可以保证5G手机的厚度低于8毫米；同时，高通还发布了全球首款宣布的5G 100MHz包络追踪解决方案QET6100、集成式5G/4G功率放大器（PA）和分集模组系列以及QAT3555 5G自适应天线调谐解决方案，QET6100将包络追踪技术扩展到5G NR上行所需的100MHz带宽和256-QAM调制。

目前高通的方案等于在5G终端产品上实现了一个小型的相控阵雷达系统，通过移相器，天线阵列，RF前端实现波束成型，移相，波束追踪，让波束一直保持在最佳的传输位置上。这就要求整个射频链路上从调制解调器到收发器、放大器再到天线的所有器件都能更智能地协同工作。

2月19日，工信部发布《2019年全国无线电管理工作要点》，关于5G产业发展规划，会议明确提出：为加快5G商用步伐做好频谱资源使用保障，做好5G基站协调、许可工作，服务加快5G商用步伐大局。适时发布5G系统部分毫米波频段频率使用规划，引导5G系统毫米波产业发展。国内运营商也在积极进行毫米波频段的测试，随着工信部发布毫米波频段使用规划，有望推进国内毫米波频段商用。

结语

毫米波技术可以通过提升频谱带宽来实现超高速无线数据传播，从而成为5G通讯技术中的关键技术之一。目前由于各种原因，国内尚未部署5G毫米波通信技术，相信在不久的未来，5G毫米波技术也将在国内开花结果。